放大器基础知识

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放大器基础知识

摘自 Artech House 的 Leonid A. Belov、Sergey M. Smolskiy 和 Victor N. Kochemasov 的“射频、微波和毫米波组件手册”

微波放大器的主要作用是提高输入信号的电平（例如振荡跨度、幅度或功率），而不会在信号波形、频谱组成和输入端的信噪比中引入明显的失真。对信号的任何处理都会引入某种程度的不必要的失真。信号放大存在频率失真、非线性失真和干扰。在线性电路中，频率失真是由信号变换引起的，其中无功参数不依赖于信号幅度。非线性表现是多种多样的。其中包括由一个调制信号的频谱分量相互作用引起的互调失真，以及由频率带宽内多个信号的调制分量相互作用引起的交叉失真。出现在放大器输出端的干扰可以是加法的（干扰的瞬时值与信号的瞬时值相加）或乘法。

 

 

图1.放大器级示意图。

放大器在图1中表示为一个黑匣子，输入信号为u在(t），放大输出信号u外(t） 和电源 E0.假设输入是单频未调制正弦信号或两个幅度相等的正弦信号之和 U1具有紧密间隔的频率 f1和 f2：

uin1 (t) = U1sin(2pf1t)   or

uin2 (t)  U1[cos(2 pf1t) + cos(2 pf2t)]                     (1)

U 的值1可以使用输入功率 Pin 和已知输入阻抗 Rin 找到

                    U1 = (2PinRin)1/2                (2)

默认情况下，可以假设 Rin = 50 ohms.。

我们还可以假设放大活性元件是非线性且无惯性的;它创建一个频率为 +mf1 +nf2（系数 m 和 n 是任意整数）。

这些频谱分量的幅度仅取决于输入信号的幅度和非线性转换系数。频率为 2f 的三阶分量 2f1- f2 和 2f2-f1 出现在频率 f 附近的输出信号的频谱结构中f1 和 f2.这些互调分量的功率与 U1 3 （见图 2）。

 

图2.双音信号互调产物的幅值特性。

而输出频谱分量的功率为频率 f 的一阶 f1和 f2输入功率以10 dB/十倍频程斜率（即线性）增加，三阶分量以30 dB/十倍频程斜率增加。在没有饱和的情况下（即通过外推它们的对数线性小信号输入/输出关系），一阶和三阶乘积的功效在三阶截点（IP3）相等。P 的值在IP3，或等效的P输出IP3，表征放大器的非线性失真水平。当 P 值增加时在，饱和度限制Pout/Pin晶体管放大器的依赖性。在微波管放大器（例如行波管（TWT）和速调管）中，当Pin超过 Pinsat、Pout减少。

值 Pin1dB，等效于 Pout1dB，输出端的压缩不超过1 dB，被广泛认为是线性模式下最大信号电平的条件边界。放大器固有噪声降低到输入端的背景功率水平（即本底噪声）决定了放大器动态范围的下限。

功率放大器的效率 η = Pout/Pdc是微波输出功率的比值Pout到直流电源消耗的功率。对于增益不够高的晶体管放大器，G = Pout/Pin，使用功率附加效率PAE=（Pout - Pin)/Pdc，减去前一阶段贡献的功率。这些措施之间的关系可以用以下方式表示：

 PAE = η (1-1/G)                     (3)

为了表征射频晶体管功率放大器 （PA） 的模式，可以使用从 A 到 F 的类别名称。我们在输入电路中引入电流传导角q，它是输入信号幅度U相对于电流截止直流电压E'和偏置电压E之差的归一化特性Ebias.

 cos q ~ -(Ebias – E’)/U             (4)

A类（见图3）对应于晶体管输入特性线性区域内的小信号操作。AB 类对应于截止角为 180 至 90 度的操作，B 类对应于截止角接近 90 度的操作，C 类模式对应于截止角为 90 至 0 度的操作。

 

图3.晶体管放大器类。

射频放大器的开关模式使PAE增加70%至90%，但对于高达1 GHz的相对低频。 高频PA的准线性C类操作也使PAE增加;然而，它的压缩特性是非单调的（见图4）。

 

图4.A类和C类放大压缩特性。

 

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用于射频和微波应用的放大器种类繁多。

图 5 说明了对它们进行分类的一种方法。有几个关键要素，包括工作频段、小信号增益G0，最大输出功率Pout max、有源元技术、非线性变换产品的设计方案和水平。放大器可以针对功率或效率进行设计和优化。级联放大器具有相似的输入和输出阻抗值（通常为50欧姆），并且串联在一起，因此以分贝表示的总增益等于各个级增益的总和。在增益控制放大器（GCA;一些制造商使用缩写VGA-可变增益放大器）中，增益由外部模拟或数字信号改变。高线性度放大器具有较宽的线性动态范围，而限幅放大器设计为饱和，以减少输入信号功率的杂散变化。

 

图5.射频放大器分类。

在评估放大器的最大输出功率时，必须考虑其工作频率。器件几何尺寸随着工作频率的增加而减小。表面和体积能量密度增加，引入散热限制。因此，对于给定器件技术和热设计，放大器输出功率水平与工作频率的平方成反比。几个有源元件的功率总和允许输出功率水平的增长，但随着结构、功率分配器和合路器的能效、总和通道的相位同步以及防止杂散自激励而变得复杂。由于这些因素，对于分米波长范围（频率高达 3 GHz），高功率级的条件边界为 100 W，对于厘米范围的一部分（频率高达 30 GHz）为 10W，对于 50 GHz 以上的频率，超过 1W 可能被认为是高功率。

双向放大器放大天线发射信号发射源信号的功率，而天线通过相同连接接收到的信号传递到低噪声放大器，然后传递到接收器。

跨阻放大器将输入电流转换为电压。例如，它用于将射频输入到光纤通信线路的输出阻抗与激光二极管的输入阻抗相匹配，或将光电探测器的输出阻抗与微波部分的输入阻抗相匹配。

专用放大器专为特定通信标准（例如GPS、IEEE 802.11、WiFi、WLAN、64QAM）而设计。前端包括低噪声前置放大器，以及基带处理前的下变频器。

对数（log）和反对数（antilog）放大器是运算放大器（op-amp）的变体，是非线性电路，其中输出电压与输入电压的对数（或指数）成正比。这种放大器用于中频部分，用于压缩（或扩展）输入功率动态范围，或用于自动增益控制。对于对数放大器，输入信号幅度间隔（从 Vin，min至 Vin，max） 在输出处转换为：

  Vout = -K ln [Vin/Vref]                            (5)

其中 K 是常数系数，Vref是基准电压。

有源元件技术定义了电源参数和放大器应用。对于固态放大器，除了硅双极晶体管（BT）外，还围绕SiGe、GaAs、GaN、InGaP、LDMOS、pHEMT、AlGaAs/GaAs、HFET和pHEMT等材料和结构开发了新技术。

为了在微波范围内提供高和超高输出功率，使用了功率放大器管，例如速调管放大器和具有不同慢波结构变体的行波管放大器 （TWTA）。

 

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放大器参数：

带边界的工作频率范围flow 和 fhigh.

小信号增益G0 = Pout/Pin;

电压增益GVO = Vout/Vin, 或小信号功率增益GPO = Pout/Pin;当使用对数刻度数值时 GVO = 20log10 (Vout/Vin) in dB and GPO = 10log10 (Pout/Pin） 分贝对于相同的输入和输出阻抗，单位为 dB。

噪声系数 (NF).

线性放大器的最大输出功率 Pout1dB.

饱和时的最大输出功率 Pout sat.

没有普遍接受的低flow和高 fhigh放大器工作频带的边界。默认情况下，可以指定这样的频率值作为截止频率，其中增益 G0与工作频段中间的值相比，降低了 3 dB。绝对频率带宽(BW) = fhigh–flow 定义输入信号失真在应用可接受范围内的范围。相对频率 BW kf = 2(fhigh–flow)/(fhigh+flow): 用于窄带放大器 kf << 1;  用于倍频程放大器 kf ~ 2 以及多倍频程放大器 kf > 2.对于某些型号，可以指定直流电(DC) 作为较低的带宽边界，因此在本例中 kf 价值失去了意义。在这些情况下，低截止频率的值 flow由偏置电路和阻断元件的频率特性定义。

对于宽带放大器，规定了工作频带内的最大增益平坦度。在某些应用中（例如，为了补偿链中其他元件的频率依赖性），放大器设计有给定的（正或负）斜率值 Sf = dG0/df 用于工作频段内的幅频特性。

对于带通信号的放大，可能会因偏离线性相位特性而导致失真：函数  f(f)  相移 f = fout  – fin 在放大器中相对于载波频率。作为这种现象的定量特征，我们可以利用信号群延迟 tgr的非均匀性 = | df/df|在工作频段内。

放大器的噪声特性由其噪声因数决定 Fnoise, 表示功率谱密度是多少（私营部门司）放大器的固有噪声超过电阻的PSD，电阻等于输入级电阻。噪音温度（开尔文）

 Tnoise = T0 (Fnoise – 1)                                        (6)

称为放大器噪声温度，其中 T0= 290 K 是标准（室温）。作为噪声放大器的特性，最常使用以分贝表示的噪声系数（NF）

 NF (decibels) = 10log10Fnoise                                    (7)

对于专用于处理正弦参考信号的放大器，我们可以指定放大器相位噪声 S 的功率谱密度 （PSD） 值j(F）在不同频率下偏移F接近载波频率，这增加了系统输出信号相位噪声的总电平。10 GHz 时的典型值为 -145 dBc/Hz 偏移量100 Hz 来自放大信号，白噪声水平 170 dBc/Hz 偏移量为1 MHz及以上.

PinIP3 用于放大器非线性特性（即互调失真 （IMD））的定量估计。或者 PoutIP3 可以指定。这 OIP3值表示为dBm, 它超过了 Pout1dB值，并对应于不可接受的失真水平。对于高功率微波放大器，有必要考虑放大压缩特性 (AM/AM 压缩）和幅相转换特性(AM/ PM 转换).  

接收器的灵敏度通常被视为最小输入信号 (Pin min) 需要产生具有指定信噪比 （S/N） 的指定输出信号。线性放大器输入信号电平的动态范围为以下比率，以分贝表示：

 D = 10 log (Pin 1 dB/Pin min)                               (8)

在线性模式下，可以测量放大器与频率相关的复数 S 参数。还可以使用功率放大器的 X 参数，它是 S 参数的泛化，同时考虑了输入和输出信号的幅度。

增益对电源电压变化的敏感度可通过 G 的变化来表征0以分贝/伏特的电源电压和对环境温度变化的敏感度为单位，变化为 G0以每摄氏度分贝为单位。

以下附加特性也很重要：重量;尺寸;安装布置;输入、输出和偏置连接;输入输出电路的额定阻抗;对环境的敏感性：振动、冲击、湿度、辐射水平以及静电场和磁场。

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低噪声放大器

低噪声放大器用于放大级的输入电路中，用于在有限频带内与噪声混合的小信号。NF小于5 dB的放大器通常被认为是低噪声放大器。对于毫米波范围（频率大于 30 GHz）的放大器，它们可能被认为是低噪声的，NF 小于 15 dB。NF的可实现值在很大程度上取决于放大器的高截止频率f高、输出功率P输出1dB和环境温度。表I列出了一些固有噪声水平较低的型号的特性。

高动态范围放大器

在微波放大器中，信号电平增长的非线性现象是不可避免的。如果信号在相位、频率或幅度上被调制;然后，由于三阶和五阶的互调失真，频谱分量出现在工作频带中，这些分量在频率滤波的帮助下无法在进一步的阶段消除。动态范围可以表征为P值的量out IP3超过固有噪声水平;因此，为了扩展动态范围，可以降低固有噪声水平（即NF），同时增加Pout IP3.线性品质因数

   LFOM = PoutIP3/Pout1dB                         (9)            

被制造商用来比较各种微波放大器的线性度。一些高动态范围放大器的参数如表二所示。

固态功率放大器

将放大器识别为低功率、中功率或高功率是模棱两可的：有必要考虑工作频率和给定的制造技术。此外，对于高功率放大器，开发人员经常会因效率而受到限制。对于高功率固态放大器，最重要的参数是Pout 1dB、Pout IP3和 PAE。部分中高功率微波固态放大器的参数见表三。应该注意的是，大多数制造商提供范围广泛的产品，在相同的频率下具有不同的功率水平;表中显示了最典型的示例。

宽带固态放大器

具有宽（倍频程）带宽和多倍频程带宽的微波信号放大器用于超宽带 （UWB） 通信和信息传输系统。实例见表四。

电子管放大器 - 速调管、速调管、TWT、放大器、交叉场放大器和陀螺仪放大器

对于频率范围内小于 1W 的射频功率 0.3 to 10 GHz,通常使用表面贴装或集成固态半导体技术的工程解决方案。它们提供 15 to 20 dB在单级中（级联时高达 60 dB）, PAE 为 45% 至 60%，通带为 0.1 至 5 GHz，噪声系数 0.5 to 5 dB, 动态范围不小于30 至 40 dB。对于中等功率级设备，固态和微波管解决方案之间存在工程和经济上的权衡。

在复杂的信号链中，可能会发现某些级采用固态元件实现，而其他器件则采用真空管。非常高的功率和放大器和振荡器通常通过真空管微波电子设备实现。

中高功率放大器的工程要求是线性度、增益、输出功率电平、效率 （PAE）、带宽、重量和物理尺寸等参数的折衷。还必须考虑主用电源需求、风冷或水冷的手段以及在预期环境条件下（如温度、压力、湿度、冲击、振动和电离辐射）的耐用性。真空设备可以更好地满足其中一些要求。

真空功率放大器的现代多波束结构提供高和超高输出功率。管状活性元件在辐射方面表现出明显更高的耐久性。虽然传统真空管通常需要数十千伏的电源，但这会使它们在车载和卫星设备中的应用变得复杂（但不排除）。功率微波放大器的真空有源元件是多种多样的。

四极管是带有加热阴极、控制栅、抑制器栅和阳极的射频管。四极管用作信号功率的放大器，用于从直流到电子惯性成为限制的频率的输入信号频率。

在浮漂速调管中，电子惯性用于在电子束在输入腔间隙和输出腔之间传输期间聚集电子束。因此，速调管被设计为在微波范围内放大。对于单波束、双腔或多腔速调管，连续波模式下的典型输出功率值在 10% 的相对频带内以 50 至 60 dB 的增益达到 50 kW。多波束速调管在一组 8 到 36 个光束中同时利用振荡激励，其输出功率相加。

速调管或电感输出管代表了四极管和速调管的组合：输入电子流的密度与速调管一样被调制，速度与速调管非常相似。在这种设备中，PAE和线性度在高功率下基本上增加，这解释了它在分米波长的电视发射机中的广泛应用。在多波束速调管中，所需的电源电压降低，控制网格的实现变得更加容易。

行波管 （TWT） 可在 10 至 25 GHz 的频率下使用小直径慢波结构实现 200 W，PAE 高达 60%，带宽为 1 至 2 倍频程，使用寿命长达 150,000 小时。与螺旋结构相比，具有周期性慢波结构的 TWT 可实现更高的工作频率和 PAE，但频率带宽更低。在多波束TWT中，可以降低电源电压，以实现更紧凑的结构。

放大器是一种放大装置，它采用具有交叉电场和磁场的磁控管原理，通常称为交叉场放大器 （CFA）。由于输出振荡与外部窄带输入信号的频率同步，它提供了高 PAE（高达 90%）和极高的功率。

在回旋放大器中，使用空心螺旋形电子流和与行波管的连续相互作用（如在TWT中）。这在毫米波长范围内提供了高达 70% 的电子效率，并在数十秒内将功率提高到 100 kW。功率放大器的实验模型，如陀螺速调管、陀螺仪和陀螺TWT在微波和太赫兹范围内提供。

UHF范围内功率真空放大器件的参数比较见表V。

 

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脉冲放大器

用于放大脉冲微波信号（脉冲放大器）或用于低功率连续波信号脉冲调制（脉冲调制放大器）的放大器对高瞬时带宽的要求不同。瞬时带宽决定了脉冲上升沿和下降沿的持续时间，并且通常采用饱和。对于普通放大器，近似上升/下降时间等于0.35/（3 dB-BW）;但是，如果使用尖锐的滤波器，上升和下降时间可以大致减半。

相位线性度（群延迟变化）必须非常好，没有谐振或急剧变化。为了限制方波脉冲的过冲，有时会使用贝塞尔滤波器。

脉冲射频放大器的发展在几个方向上取得了进展，以满足不同的需求。首先，在接近饱和的D类开关模式下工作的高效放大器（见图3）得到了改进。其次，宽带脉冲视频放大器已经开发用于通信线路中的光学激光调制器，其带宽从直流到几十千兆赫兹。第三，对于雷达、测量系统和UWB应用，射频脉冲放大器必须具有每个脉冲持续时间小（从3到10个）载波射频振荡周期数、高（高达数百千瓦）峰值功率和低占空比。

功率放大器的互调失真和线性化

 

图6.预失真数字线性化器。

对于具有频分的宽带放大器中微波信号的重传和功率放大，挑战在于提供高效率和低互调失真。功率放大器线性化主要有三种方法：预失真、前馈和反馈。

预失真线性化器以串行连接的可控衰减器和移相器或矢量调制器的形式实现。它连接到被线性化的功率放大器的输入端。它根据对放大器非线性AM/AM和AM/PM特性的存储校正表，对PA输入信号进行幅度和相位变化（见图6）。

 前馈线性化是通过将放大信号的主PA输出与来自辅助放大器（AuxPA）的校正信号相加来实现的（见图7）。AuxPA输入信号是通过比较主PA的输入和输出信号的幅度和相位而产生的。

 

图7.前馈线性化器。

反馈线性化器对PA输入和输出进行采样，并反馈对输入进行校正以消除非线性（见图8）。输入和输出信号的解调由调谐到载波频率的参考本振（LO）实现。将基带信号的正交I/Q分量与连接到功率放大器输入的矢量调制器进行比较。

图8.笛卡尔反馈线性化器。